阿尔茨海默病（AD）是一种常见的慢性神经系统退行性疾病。近年来研究显示，突触（树突棘）丢失是导致AD认知障碍的主要原因。Cdc42是小G蛋白Rho亚家族的成员，在调节突触可塑性中起着重要作用。Cdc42GAP是Cdc42活性的负调控因子，调控其从活性状态转化为非活性状态。不过，目前很少有研究关注Cdc42在阿尔茨海默病进展中的作用。

近日，来自南方医科大学基础医学院的张璐和张琳教授团队发表了题为“Cdc42GAP deficiency contributes to the Alzheimer’s disease phenotype”的文章，展示了课题组最新的研究成果。该研究旨在探索Cdc42信号通路的激活是否与阿尔茨海默病样表型有关。

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Cdc42GAP缺乏损害认知和空间记忆

研究者收集了11个月大的野生型（WT）小鼠、GAP（Cdc42持续激活小鼠，即Cdc42GAP敲除杂合小鼠）和AD模型小鼠（APP/PS1）的海马体和皮层组织，以检测Cdc42信号通路。结果显示， GAP小鼠和AD小鼠的海马体和皮层中活化的Cdc42均显著增加；且Cdc42信号通路下游PAK和cofilin的磷酸化水平均有所升高，表明Cdc42GAP缺陷小鼠和AD小鼠中Cdc42的信号传导通路均发生活化。

此外，研究者将GAP小鼠与AD小鼠杂交，创建了同时具有AD小鼠表型和Cdc42GAP缺陷的GAP/AD小鼠，并使用4和11个月大的小鼠（分别代表年轻和老年阶段），探讨Cdc42GAP缺乏对学习及认知功能的影响。在新物体识别测试中，4月龄GAP小鼠已经出现明显的认知损伤，且GAP/AD小鼠认知功能损伤进一步加重，表现为与新物体互动时间更少，互动频率也更低（图1B-C）。而且，老年GAP小鼠表现出比年轻小鼠更严重的识别和记忆障碍。这些结果表明，Cdc42GAP缺乏会导致认知功能障碍，这种障碍可能会随着年龄的增长而恶化。

在避暗实验中，也发现与上述新体物识别测试类似的结果，表明Cdc42GAP缺乏与识别和记忆功能障碍也有关系。在Morris水迷宫实验中，GAP和GAP/AD小鼠显示出穿越目标象限平台的次数减少，将目标平台转换位置后，再次进行训练和检测，与上述结果相似（图1H-I），年长的GAP小鼠的表现比年轻GAP小鼠差，表明Cdc42GAP缺乏可能会损害空间记忆功能。

图1 Cdc42GAP 缺乏导致认知异常，随着年龄的增长，出现更严重的行为缺陷

Cdc42GAP缺乏诱导神经元衰老和树突棘丢失并伴有F-肌动蛋白解聚

研究者以神经元衰老标志物SA-β-gal评估Cdc42GAP缺乏在神经元衰老中的作用。结果显示，年轻GAP小鼠的海马和皮层神经元中SA-β-gal水平显著升高，GAP/AD小鼠衰老更显著，而且年老GAP/AD小鼠的衰老程度明显更严重，表明Cdc42GAP缺乏诱导并加速了神经元衰老（图2）。

此外，研究者探索了Cdc42GAP在视觉皮层和海马两个脑区神经元树突棘可塑性中的作用。结果发现，Cdc42GAP缺乏会导致小鼠海马和皮层突触可塑性的长期损伤。通过检测年老小鼠海马和皮层中神经元树突棘的F-肌动蛋白和G-肌动蛋白，发现GAP和AD小鼠的海马和皮层中F-/G-肌动蛋白的比例显著降低，表明Cdc42GAP缺乏诱导树突棘丢失和F-肌动蛋白解聚。

图2 Cdc42GAP缺乏诱导神经元衰老

Cdc42GAP缺乏诱导并加速tau磷酸化和淀粉样蛋白β的产生

接下来，研究者使用年老小鼠研究Cdc42GAP缺乏在tau磷酸化和Aβ产生中的作用。免疫荧光分析显示，GAP小鼠的海马和皮层中的tau磷酸化（p-T231/AT8）水平显著升高（图3）。与GAP和AD小鼠相比，GAP/AD小鼠中的tau过度磷酸化进一步增加，表明Cdc42GAP缺乏可能有助于tau磷酸化的进展。另外，GAP/AD小鼠的Aβ1-42和Aβ1-40水平显著升高。这些结果表明，Cdc42GAP缺乏诱导并加速tau磷酸化和Aβ1-40和Aβ1-42的产生。

图3 Cdc42GAP缺乏在11个月大的小鼠中诱导阿尔茨海默病表型

Cdc42GAP缺乏可能通过激活GSK-3β诱导阿尔茨海默病表型

证明了LH Nts神经元的Nts和GABA共同释放介导了这种行为效应[]。为探索Cdc42GAP缺陷小鼠阿尔茨海默病表型的潜在机制，研究者对年老WT和GAP小鼠的海马进行了定量磷酸化蛋白质组学分析。结果发现，GAP小鼠微管相关蛋白tau（MAPT）许多位点发生磷酸化；同时，GSK-3βSer-389位点磷酸化水平显著下降。

接下来，研究者通过蛋白质印迹和免疫荧光验证发现GAP、AD和GAP/AD小鼠的海马和皮层中GSK-3βSer-9位点和Ser389位点磷酸化水平显著降低，而且GAP/AD小鼠GSK-3βSer-9和Ser389的磷酸化水平低于AD小鼠。此外，GAP、AD和GAP/AD小鼠的海马和皮层中磷酸化GSK-3βTyr-216的水平增加，其中GAP/AD鼠皮层中的Tyr-216水平高于GAP和AD鼠。

这些结果表明Cdc42GAP缺乏通过Ser-9、Ser-389处去磷酸化和/或在Tyr-216处磷酸化来激活GSK-3β，从而诱导并加速海马和皮层中的阿尔茨海默病样表型。

Cdc42持续激活诱导tau过度磷酸化和突触丢失

为验证Cdc42GAP缺乏在tau过度磷酸化和树突棘丢失中的机制，研究者制备了Cdc42组成型激活和显性负效突变慢病毒，转染进各组小鼠海马和皮质原代神经元，结果显示，与对照组相比，Cdc42持续激活诱导海马和皮质神经元tau磷酸化水平增加，而降低Cdc42活性诱导其tau磷酸化水平显著降低，表明Cdc42 GTP酶活性升高可能是阿尔茨海默病tau过度磷酸化的原因。

接下来，研究者通过分析小鼠海马和皮层原代神经元突触可塑性发现，Cdc42持续激活诱导海马和皮层神经元树突棘丢失和衰老水平升高，表明Cdc42 GTPase活性升高与阿尔茨海默病样树突棘丢失有关。

阿尔茨海默病患者大脑皮质切片中Cdc42信号通路和GSK-3β被激活

此外，研究者收集了AD患者和健康对照（HC）大脑的皮质石蜡切片标本，并通过免疫化学染色评估Cdc42信号通路和GSK-3β活性。结果发现，AD患者皮层中的Cdc42-GTPase与HC相比显著增加，磷酸化-cofilin（p-cofilin（Ser-3））和磷酸化-PAK1（p-PAK1（Ser-199））水平也有所增加，表明激活的Cdc42信号通路可能导致人类阿尔茨海默病相关神经元退行性改变（图4）。

此外，Aβ1-40、Aβ1-42和APP代谢产物CTFs在AD患者中显著升高，表明Cdc42GAP缺乏活化了Cdc42信号通路，激活的GSK-3β在阿尔茨海默病患者中起着至关重要的作用。

图4 阿尔茨海默病患者的皮层中Cdc42通路和GSK-3β活性被激活

结论

研究发现Cdc42GAP缺乏在4月龄和11月龄的小鼠中诱导了认知功能障碍和突触（树突棘）丢失，并随着年龄的增长有所恶化；11月龄的小鼠中tau磷酸化和Aβ的产生也有所增加，这与AD小鼠的表型一致。另外，研究者发现在AD小鼠中Cdc42-GTPase活性升高，同时伴有Cdc42-PAK1-cofilin信号通路激活。通过对11月龄GAP小鼠海马的定量磷酸化蛋白质组学分析，结果表明GSK-3β活性的升高可能与tau异常磷酸化和Aβ增加这些病理损伤有关。

更重要的是，Cdc42-GTPase通路和GSK-3β活性在AD患者中也被激活。这些结果表明，Cdc42GAP缺乏引起的Cdc42活性增加可能通过激活GSK-3β诱导阿尔茨海默病样表型，导致阿尔茨海默病的认知功能缺陷。因此，Cdc42可能是改善阿尔茨海默病认知功能障碍的治疗靶点。

原文链接：

/brain/awad184

参考文献

Zhu M, Xiao B, Xue T, et al. Cdc42GAP deficiency contributes to the Alzheimer's disease phenotype [published online ahead of print, 2023 May 31]. Brain. 2023;awad184. doi:/brain/awad184

编译作者：Charlie Brown (brainnews创作团队)

校审：神经小子 (brainnews编辑部)

本通讯稿经张璐和张琳团队校对，特此感谢！